(57)【要約】【課題】  所定の形状を成形することができ、かつ、表面層を改質することができる点溶接用電極チップの先端部の成形方法を提供することを目的とする。【解決手段】  回転するショルダー３の接触面３ａを電極チップ１の先端部１ｂに接触させて、接触面３ａで先端部１ｂを摩擦撹拌し、先端部１ｂを塑性流動させながら接触面３ａの形状に合わせて成形することで、先端部１ｂを所定の形状とし、かつ、塑性流動による結晶粒微細化によって、先端部１ｂを改質する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点溶接用電極チップの、被接合部材と接触する先端部を成形する方法であって、
前記電極チップの先端部の成形形状に合わせた接触面を先端側に有する成形工具を回転させ、
回転する前記成形工具の接触面を前記電極チップの先端部に接触させて、前記接触面で前記先端部を摩擦撹拌し、前記先端部を塑性流動させながら前記接触面の形状に合わせて成形する、
ことを特徴とする点溶接用電極チップの成形方法。
【請求項２】
点溶接用電極チップの、被接合部材と接触する先端部を成形する方法であって、
前記電極チップの先端部の成形形状に合わせた接触面を先端側に有する成形工具に、前記接触面から突出するように撹拌プローブを設けて、前記成形工具を回転させ、
回転する前記成形工具の接触面および前記撹拌プローブを前記電極チップの先端部に接触させて、前記接触面および前記撹拌プローブで前記先端部を摩擦撹拌し、前記先端部を塑性流動させながら前記接触面の形状に合わせて成形する、
ことを特徴とする点溶接用電極チップの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点溶接に用いる電極チップの成形方法、特に被接合部材と接触する先端部を成形する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
点溶接（スポット溶接）は、複数の被接合部材を重ね合わせ、この重合部を棒状の電極チップで挟んで、比較的小さい部分に電流を集中させて局部的に加熱し、同時に電極チップで加圧して被接合部材を溶接するもので、抵抗溶接の一種である。
【０００３】
この点溶接では、被接合部材に適正な電流、圧力を与え、良好な溶接品質を得るために、電極チップの先端部の形状、面粗さが重要となる。このため、ＪＩＳ（日本工業規格）にも、標準的な電極チップの材質と形状とが規格化されている。しかしながら、電極チップの先端部には、溶接の度に熱負荷、圧力がかかるため、先端部が徐々に摩耗、消耗してしまう。この摩耗、消耗が進行すると、先端部の形状が所定の形状を逸してしまい、所望の溶接品質が得られない結果となる。このため、定期的に、または摩耗、消耗が確認される度に、先端部を成形し直す（再生する）必要がある。この再生は、一般には機械加工（切削、研削加工など）によって行われ、この再生を何度か繰り返した後に、電極チップそのものを交換しなければならない。
【０００４】
しかしながら、機械加工では、電極チップの加工機へのセッティング（段取り）や加工に長時間を要する。また頻繁に再生をしなければならないとすると、さらに多くの時間を要し、しかも最終的には、電極チップを早く交換しなければならない。
【０００５】
このため、再生の頻度を少なくすることが望まれ、そのために、電極チップの表面をショットピーニングする方法がある。すなわち、ショットピーニングによって、電極チップの表面層を加工硬化させて、電極チップの耐久性を向上させるものである（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−１５０４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電極チップの表面をショットピーニングしても、その表面層だけが加工硬化されるのみである。このため、この加工硬化層が摩耗、消耗すると（失われると）、その下層である（加工硬化されていない）素地部が露出し、その素地部の摩耗、消耗が激しくなる。またショットピーニングは、金属小片などを電極チップの表面に吹き付けるのみであるため、電極チップの先端部を所定の形状に成形することはできない。このため、機械加工により先端部を所定の形状に加工した後に、ショットピーニングを行う必要がある。つまり、このショットピーニングは、電極チップの表面層を加工硬化するのみで、先端部の形状を成形することはできない。
【０００７】
そこで本発明は、所定の形状を成形することができ、かつ、表面層を改質することができる点溶接用電極チップの先端部の成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電極チップの先端部の成形形状に合わせた接触面を先端側に有する成形工具を回転させ、回転する成形工具の接触面を電極チップの先端部に接触させて、前記接触面で前記先端部を摩擦撹拌し、前記先端部を塑性流動させながら前記接触面の形状に合わせて成形することを特徴としている。
（作用）
成形工具の接触面形状に合わせて電極チップの先端部が成形されるため、電極チップの先端部が所定の形状に成形される。しかも、接触面で先端部を摩擦撹拌し、先端部を塑性流動させながら接触面の形状に合わせて成形するため、先端部の成形面には凹凸がなく、滑らかになる。
一方、電極チップの先端部が摩擦撹拌され、塑性流動するため、先端部の結晶が微細化され、改質される。すなわち、結晶粒微細化によって、先端部の硬度、靱性が高まるとともに、微細な結晶粒の存在によって、亀裂（マイクロクラックなど）の進行が抑えられる。しかも、先端部の表面だけではなく、塑性流動する領域において深層部にまで、この改質がなされる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、電極チップの先端部の成形形状に合わせた接触面を先端側に有する成形工具に、接触面から突出するように撹拌プローブを設けて、成形工具を回転させ、回転する成形工具の接触面および撹拌プローブを電極チップの先端部に接触させて、前記接触面および撹拌プローブで前記先端部を摩擦撹拌し、前記先端部を塑性流動させながら前記接触面の形状に合わせて成形することを特徴としている。
（作用）
上記作用に加えて、成形工具の接触面と撹拌プローブとで電極チップの先端部を摩擦撹拌するため、先端部がより撹拌され、塑性流動する。このため、先端部のより深層部まで結晶粒が微細化されるとともに、より細かく結晶粒が微細化される。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、成形工具の接触面に合わせて電極チップの先端部を所定の形状に成形し、しかも、先端部に凹凸がなく、滑らかなものにすることができる。
また、電極チップの先端部が摩擦撹拌され、塑性流動することによって、先端部の結晶粒が微細化され、改質される。しかも、塑性流動する領域において、先端部の深層部まで改質される。そして、この改質によって、電極チップの先端部の摩耗、消耗を減らし、先端部の再生頻度、さらには、電極チップの交換頻度を減らすことができる。
このように、請求項１に記載の発明によれば、電極チップの先端部の成形と改質とを同時に行うことができる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、さらに電極チップの先端部を改質することができる。すなわち、撹拌プローブによって、先端部のより深層部まで結晶粒を微細化するとともに、より細かく結晶粒を微細化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る点溶接用電極チップの先端部の成形方法を示す模式図である。
【００１４】
図中１は、点溶接用の電極チップで、ここでは、溶接により先端部１ｂが摩耗、消耗した状態（実線部）を示している。この電極チップ１は、本実施形態では材質がアルミナ分散銅で、その胴部１ａは丸棒状をしている。また、先端部１ｂの２点鎖線で示す形状が、摩耗、消耗する前の元の先端部形状（設計された形状）である。
【００１５】
図中２は、摩擦撹拌装置（図示せず）の主軸であり、この主軸２に丸棒状のショルダー３（成形工具）が、同心上に取り付けられている。
【００１６】
このショルダー３が電極チップ１の先端部１ｂと接触する接触面３ａは、所定の形状に形成されている。ここで所定の形状とは、所望とする（設計された）電極チップ１の先端部形状（図中２点鎖線の形状）を反転させた形状である（接触面３ａがキャビティーに相当する。）。
【００１７】
この接触面３ａの回転中心から、円錐形の撹拌プローブ４が突出するように設けられている。すなわち、摩擦撹拌装置の主軸２、ショルダー３および撹拌プローブ４は、同心上に設定されている。
【００１８】
ここで摩擦撹拌装置とは、摩擦撹拌溶接に用いられる装置と同等のものである。この摩擦撹拌溶接は、高速回転するショルダー、プローブによって、２つの部材のつなぎ目を摩擦撹拌させて、溶接するものである。本発明は、この摩擦撹拌溶接に用いられる装置を用いて、電極チップ１の先端部１ｂを摩擦撹拌させるものである。
【００１９】
次に、電極チップ１の先端部１ｂの成形方法について説明する。
【００２０】
まず、電極チップ１を摩擦撹拌装置の加工テーブル（図示せず）に固定する。次に、摩擦撹拌装置を始動させて、主軸２を高速で回転させると、ショルダー３および撹拌プローブ４も同心上で高速回転する。この状態で、主軸２を電極チップ１の先端部１ｂに真上から近づけ、撹拌プローブ４を回転させながら、先端部１ｂに挿入させていく。
このとき、電極チップ１の先端部１ｂは、撹拌プローブ４の回転によって発生する摩擦熱により軟化するとももに、撹拌プローブ４の回転によって撹拌される（摩擦撹拌される）。また、撹拌プローブ４の挿入によって発生した先端部１ｂの余肉は、先端部１ｂの上方へと盛り上がる。
さらに撹拌プローブ４の挿入が進むと、この余肉がショルダー３の接触面３ａに当たり、この接触面３ａの形状に倣って塑性流動していく。さらに、ショルダー３を先端部１ｂ側に押し進めていくと、接触面３ａの全面が先端部１ｂ全面を押圧する。このとき、この接触部において、高い摩擦熱が発生し、先端部１ｂを軟化させるとともに、先端部１ｂが塑性流動し、接触面３ａの形状に倣っていく。これにより、接触面３ａの形状に合わせて先端部１ｂが成形され、図２に示すような、（摩擦、消耗する前の）元の先端部１ｂが成形される。
【００２１】
このように、接触面３ａの形状に合わせて電極チップ１の先端部１ｂが成形されるため、先端部１ｂを所定の形状（摩擦、消耗する前の元の形状）に成形することができる。しかも、先端部１ｂが接触面３ａに押圧されながら塑性流動するため、先端部１ｂの成形面には凹凸がなく、滑らかにすることができる。
一方、先端部１ｂが摩擦撹拌され塑性流動するため、先端部１ｂの結晶粒が微細化される。これは、摩擦熱と塑性流動による動的な組織変化による結晶粒微細化であり、これにより先端部１ｂが改質される。
すなわち、結晶粒微細化によって、先端部１ｂの硬度、靱性が高まるとともに、微細な結晶粒の存在によって、亀裂の進行を抑えることができる。そして、この改質によって、先端部１ｂの摩耗、消耗を減らし、先端部１ｂの再生頻度、さらには、電極チップ１の交換頻度を減らすことができる。しかも、先端部１ｂの表面だけではなく、塑性流動する領域において深層にまで、この改質部１ｄが形成される。特に、凹部１ｃの肩部（凹部１ｃの開口周縁部）は、図３に示すように、より深層部まで塑性流動され、改質領域がより深くなる。
このように、本実施形態によれば、電極チップ１の先端部１ｂの成形と改質とを同時に行うことができる。
ところで、先端部１ｂの最先端部、言い換えると、撹拌プローブ４が挿入される周りの先端部１ｂは、溶接の際に被接合部材と接触し、もっとも加圧を受ける部位であり、摩耗、消耗しやすい。すなわち、この部位をより改質することが、電極チップ１の耐久性を向上させるのにもっとも有効であると言える。これに対し、撹拌プローブ４の周りの先端部１ｂは、撹拌プローブ４によって撹拌が大きいため、摩擦熱、塑性流動が大きく、これによる改質が大きい。すなわち、より深層部まで結晶粒が微細化されるとともに、より細かく結晶粒を微細化させることができる。この結果、撹拌プローブ４によって、先端部１ｂの再生頻度、さらには、電極チップ１の交換頻度をさらに減らすことができる。
【００２２】
また、成形した電極チップ１の先端部１ｂには、図２に示すように、撹拌プローブ４の挿入跡である凹部１ｃが残る。しかしながら、この凹部１ｃは、抵抗溶接時に電極チップ１の周辺に飛散するスパッタ（スラグおよび金属粒）をこの凹部１ｃに封じ込めるという作用があり、これにより、電極チップ１周辺で良好な溶接外観が得られる。
【００２３】
本実施形態では、摩耗、消耗した先端部１ｂの再生について説明したが、新たに先端部１ｂを成形する場合も、同様の方法により成形することができる。たとえば、まず切削加工によって、先端部１ｂの概形状を成形し（荒加工し）、その後、上記と同様に、摩擦撹拌装置を用いて、先端部１ｂを所定の形状に成形するものである。これにより、先端部１ｂの成形と改質とを行うことができる。このように、最終形状の成形である仕上げ加工のみを摩擦撹拌装置を用いて行うことにより、全体の加工時間を短縮することができる。
【００２４】
また、本実施形態では撹拌プローブ４を円錐形にしているが、電極チップ１の先端部１ｂを効果的に摩擦、撹拌できれば他の形状でもよく、また、摩擦撹拌効果を高めるために、ねじのような螺旋を設けてもよい。
ところで、本実施形態では撹拌プローブ４を設けているが、必ずしも設ける必要はない。すなわち、電極チップ１の材質が、摩擦撹拌による塑性流動がしやすい場合や、改質を深層部まで行う必要がない場合、あるいは、上記のような凹部１ｃを形成したくない場合などでは、図４に示すように、撹拌プローブ４を設けなくてもよい。この場合であっても、ショルダー３の接触面３ａによる先端部１ｂの摩擦撹拌によって、接触面３ａの形状に合わせて先端部１ｂが成形されるとともに、先端部１ｂの結晶粒が微細化され、図５に示すように、先端部１ｂを改質させることができる（図５中１ｄが改質部）。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る点溶接用電極チップの先端部の成形方法を示す模式図。
【図２】本発明の実施形態に係る成形方法による成形後の点溶接用電極チップの側断面図。
【図３】図２の点溶接用電極チップの先端部詳細を示す側断面図。
【図４】本発明に係る点溶接用電極チップの先端部の成形方法であって、撹拌プローブを設けない場合の成形方法を示す模式図。
【図５】撹拌プローブを設けない場合の成形方法における成形後の点溶接用電極チップの側断面図。
【符号の説明】
【００２６】
１          点溶接用電極チップ
１ａ        胴部
１ｂ        先端部
１ｃ        凹部
１ｄ          改質部
２          摩擦撹拌装置の主軸
３          ショルダー（成形工具）
３ａ        接触面
４          撹拌プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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